Рибосомы - макромолекулярные машины, состоящие из РНК и белков, которые скручиваются, складываются и поворачиваются - отвечают за создание всех белков внутри клетки и могут дать ключ к расшифровке целого ряда заболеваний. Несмотря на сложность рибосом, клетки способны производить до 100 000 рибосом каждый час. Но из-за того, что они собираются так быстро, исследователи не смогли понять, как они собираются вместе.
«Эти новые структуры, которые мы зафиксировали с помощью крио-ЭМ, показывают, что можно отображать и интерпретировать различные молекулярные машины в действии», - говорит соавтор исследования Дмитрий Люмкис, научный сотрудник Helmsley-Salk в Salk.«Это совершенно иной взгляд на структурную биологию и ее изучение. Эта статья - яркий пример того, что мы можем проводить гораздо более сложные анализы, чем когда-либо ожидали».
Понимание молекулярных структур важно не только для фундаментальных исследований в области биологии, но и для процесса разработки лекарств, чтобы лучше понять, как делать более безопасные и эффективные лекарства. Исследователи традиционно обращаются к рентгеновской кристаллографии - методу, который требует от пользователей тщательной очистки молекулы, а затем преобразования ее в кристаллическую форму, но у этого метода есть ограничения..
За последние несколько лет достижения в области крио-ЭМ позволили ученым получать изображения отдельных частиц с разрешением, сравнимым с разрешением традиционных рентгеновских методов. Но в крио-ЭМ с одной частицей белки («частицы») мгновенно замораживаются и визуализируются с использованием потоков электронов, что означает, что молекулы не нужно кристаллизовать, и они могут сохранить большую часть своей естественной структуры. Хотя крио-ЭМ существует уже некоторое время, новые камеры упрощают захват белков с высоким разрешением до того, как их уничтожит электронный спрей.
Важно отметить, что вычислительные инструменты для анализа крио-ЭМ данных созрели настолько, что теперь исследователи могут очищать молекулы in silico с помощью компьютера, а не с помощью традиционных биохимических подходов. Это становится гораздо более мощным подходом к разделению смесей видов, позволяя исследователям идентифицировать и различать структурно различные популяции частиц более подробно, чем раньше.
В новом исследовании старший соавтор Джеймс Уильямсон, профессор молекулярной биологии и химии в Исследовательском институте Скриппса, и его команда разработали метод, препятствующий объединению одного из основных компонентов рибосом, 50-й субъединицы. так быстро. Ученые смогли химически приостановить смесь различных молекул на разных стадиях сборки.
Группа Люмкиса затем использовала крио-ЭМ высокого класса для визуализации и анализа этих застопорившихся структур, что не было предпринято для такого сочетания разнообразных форм конкретной молекулы.
«Другие исследования показали, что можно зафиксировать несколько различных структурных состояний молекулы», - говорит Люмкис. «Но, насколько я знаю, никто не пытался взять эту грубую смесь вещей, поместить ее на сетку крио-ЭМ и спросить, что там было».
Команда обнаружила, что в смеси есть как минимум 15 типов комплексов, 13 из которых активно собирают 50-е субъединицы. Они визуализировали каждую из этих структур с разрешением, достаточно высоким, чтобы расшифровать составляющие белка и РНК. Затем они смогли использовать компьютерные алгоритмы для упорядочения комплексов в соответствии с их путем сборки.
По словам Уильямсона, анализ группы предполагает, что рибосомы могут собираться несколькими разными путями, что важно для обеспечения эффективности процесса и способности противостоять различным клеточным стрессам. «Если представить сборочную линию, где каждый шаг должен выполняться в последовательном порядке, и на одном из этих шагов возникает проблема, все останавливается», - говорит он.«Если есть параллельные пути, то сборка может идти по другим каналам, пока проблема не будет решена.
Ученым потребовалось больше года, чтобы разобраться в структурах, используя относительно новые инструменты анализа изображений. Но они заложили основу для изучения других больших, динамичных и структурно гетерогенных молекулярных машин, которые, по словам Люмкиса, приведут к новым фундаментальным научным и трансляционным открытиям.